JP4796639B2 - Electrochemical equipment - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第1の流体を供給する第1流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第1の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第2の流体を得る第2流路が形成される電気化学装置に関する。   In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of an electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a first flow for supplying a first fluid between one power feeding body and one separator is provided. An electric path is formed, and a second flow path is formed between the other power feeding body and the other separator, in which the first fluid is electrolyzed to obtain a second fluid having a pressure higher than normal pressure. It relates to chemical equipment.

例えば、固体高分子型燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス(主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス)が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス、例えば、空気)が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas (a gas containing mainly hydrogen, such as hydrogen gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas (mainly containing oxygen) is supplied to the cathode side electrode. By supplying a gas (for example, air), direct current electric energy is obtained.

一般的に、燃料ガスである水素ガスを製造するために、水電解装置(電気化学装置)が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素(及び酸素)を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。   In general, a water electrolysis device (electrochemical device) is employed to produce hydrogen gas, which is a fuel gas. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.

そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。   Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.

この種の設備では、数十MPaの高圧水素を生成するため、例えば、特許文献1に開示されている水素供給装置が知られている。この水素供給装置は、図7に示すように、電極接合体膜1の両面に陽極給電体2及び陰極給電体3を備えた接合体を、複極板4により挟持した単セルを備えている。   In this type of equipment, for example, a hydrogen supply device disclosed in Patent Document 1 is known in order to generate high-pressure hydrogen of several tens of MPa. As shown in FIG. 7, the hydrogen supply device includes a single cell in which a joined body including an anode power feeding body 2 and a cathode power feeding body 3 is sandwiched between bipolar electrodes 4 on both surfaces of an electrode assembly film 1. .

複極板4と陽極給電体2との間には、水を供給するための通路5aが形成される一方、前記複極板4と陰極給電体3との間には、生成された水素を流動させるための通路5bが形成されている。複極板4の周縁部には、第1のOリング6aを収容するための第1のシール溝7a、7bと、第2のOリング6bを収容するための第2のシール溝7c、7dとが形成されている。   A passage 5 a for supplying water is formed between the bipolar plate 4 and the anode feeder 2, while the generated hydrogen is passed between the bipolar plate 4 and the cathode feeder 3. A passage 5b for flowing is formed. At the periphery of the bipolar plate 4, first seal grooves 7a and 7b for accommodating the first O-ring 6a and second seal grooves 7c and 7d for accommodating the second O-ring 6b are provided. And are formed.

特開2004−2914号公報JP 2004-2914 A

ところで、上記の特許文献1では、高圧水素を生成するため、通路5bが高圧ガス室を構成しており、前記通路5bに連通する第2のシール溝7dも、高圧水素が充填されて高圧になっている。このため、水素供給装置を停止する際のように、この水素供給装置内部を減圧(脱圧)する際に、通路5b内が減圧されるとともに、電極接合体膜1と複極板4との隙間を通って第2のシール溝7d内の高圧水素が前記通路5bに高速で流れるおそれがある。   By the way, in Patent Document 1 described above, in order to generate high-pressure hydrogen, the passage 5b constitutes a high-pressure gas chamber, and the second seal groove 7d communicating with the passage 5b is also filled with high-pressure hydrogen so that the pressure becomes high. It has become. For this reason, when the inside of the hydrogen supply device is decompressed (depressurized) like when the hydrogen supply device is stopped, the inside of the passage 5b is decompressed and the electrode assembly film 1 and the bipolar plate 4 There is a possibility that the high-pressure hydrogen in the second seal groove 7d flows through the gap into the passage 5b at a high speed.

これにより、高圧水素が電極接合体膜1に沿って高速で流れるため、前記電極接合体膜1が損傷し易いという問題がある。   As a result, high-pressure hydrogen flows along the electrode assembly film 1 at a high speed, so that there is a problem that the electrode assembly film 1 is easily damaged.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、高圧な第2流路が減圧される際、前記第2流路に連通するシール溝内を良好に減圧することができ、電解質膜の損傷を可及的に阻止することが可能な電気化学装置を提供することを目的とする。   The present invention solves this kind of problem, and when the high pressure second flow path is depressurized, the inside of the seal groove communicating with the second flow path can be depressurized well, and the electrolyte membrane is damaged. It is an object of the present invention to provide an electrochemical device capable of preventing as much as possible.

本発明は、電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第1の流体を供給する第1流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第1の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第2の流体を得る第2流路が形成される電気化学装置に関するものである。   In the present invention, a power feeding body is provided on both sides of an electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a first flow for supplying a first fluid between one power feeding body and one separator is provided. An electric path is formed, and a second flow path is formed between the other power feeding body and the other separator, in which the first fluid is electrolyzed to obtain a second fluid having a pressure higher than normal pressure. It relates to chemical equipment.

この電気化学装置は、他方のセパレータが、第2流路の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記第2流路と前記シール溝とを連通する開口部とを設けている。   In this electrochemical device, the other separator is provided with a seal groove that circulates outside the second flow path and into which a seal member is inserted, and an opening that communicates the second flow path and the seal groove. Yes.

また、この電気化学装置は、シール部材が、セパレータ間に介装される電解質膜に対向して配置されることが好ましい。   In this electrochemical device, it is preferable that the seal member is disposed to face the electrolyte membrane interposed between the separators.

さらに、この電気化学装置は、第1流路が常圧であり、前記第1流路と第2流路とに差圧が設けられることが好ましい。   Further, in this electrochemical device, it is preferable that the first flow path is at normal pressure, and a differential pressure is provided between the first flow path and the second flow path.

さらにまた、第1の流体は、水であり、第2の流体は、水素であることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the first fluid is water and the second fluid is hydrogen.

また、本発明に係る電気化学装置は、第2流路に連通しセパレータの積層方向に延在する高圧流体連通孔を備え、前記セパレータは、前記高圧流体連通孔の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、前記高圧流体連通孔と前記シール溝とを連通する開口部とを設けている。   The electrochemical device according to the present invention further includes a high-pressure fluid communication hole that communicates with the second flow path and extends in the stacking direction of the separator. Are inserted, and an opening for communicating the high-pressure fluid communication hole and the seal groove is provided.

さらに、この電気化学装置は、シール部材が、セパレータ間に介装される電解質膜に対向して配置されることが好ましい。   Furthermore, in this electrochemical device, it is preferable that the seal member is disposed to face the electrolyte membrane interposed between the separators.

さらにまた、この電気化学装置は、第1の流体は、水であり、第2の流体は、水素であるとともに、高圧流体連通孔は、高圧水素連通孔であることが好ましい。   Furthermore, in this electrochemical device, it is preferable that the first fluid is water, the second fluid is hydrogen, and the high-pressure fluid communication hole is a high-pressure hydrogen communication hole.

本発明によれば、高圧な第1の流体が生成されて第2流路が高圧になると、この第2流路に連通するシール溝も高圧になっている。そして、第2流路が脱圧(減圧)される際には、シール溝と前記第2流路とを直接連通する開口部を介して、前記シール溝も良好に脱圧される。従って、脱圧時に、第2流路とシール溝とに差圧が発生することがなく、脱圧途上で差圧が増大し、前記シール溝から前記第2流路に高圧流体が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。   According to the present invention, when the high-pressure first fluid is generated and the second flow path becomes high pressure, the seal groove communicating with the second flow path also becomes high pressure. When the second flow path is depressurized (depressurized), the seal groove is also well depressurized through the opening that directly communicates the seal groove and the second flow path. Therefore, no differential pressure is generated between the second flow path and the seal groove at the time of depressurization, the differential pressure increases in the course of the depressurization, and the high-pressure fluid rapidly moves from the seal groove to the second flow path. It is possible to reliably prevent this.

また、本発明によれば、高圧流体連通孔に連通するシール溝が高圧になっている。そして、高圧流体連通孔が脱圧される際には、シール溝と前記高圧流体連通孔とを直接連通する開口部を介して、前記シール溝も良好に脱圧される。これにより、脱圧時に、高圧流体連通孔とシール溝とに差圧が発生することがなく、前記シール溝から前記高圧流体連通孔に高圧流体が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。   According to the present invention, the seal groove communicating with the high-pressure fluid communication hole has a high pressure. When the high pressure fluid communication hole is depressurized, the seal groove is also well depressurized through the opening that directly communicates the seal groove and the high pressure fluid communication hole. As a result, no pressure is generated between the high-pressure fluid communication hole and the seal groove at the time of depressurization, and it is possible to reliably prevent the high-pressure fluid from suddenly moving from the seal groove to the high-pressure fluid communication hole. It becomes possible.

本発明の第1の実施形態に係る水電解装置の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of a water electrolysis device concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記水電解装置の一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the water electrolysis device. 前記水電解装置を構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said water electrolysis apparatus. 前記単位セルの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the said unit cell. 本発明の第2の実施形態に係る水電解装置を構成するカソード側セパレータの要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the cathode side separator which comprises the water electrolysis apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る水素昇圧装置の概略断面説明図である。It is a schematic cross-section explanatory drawing of the hydrogen pressure | voltage rise apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 特許文献1に開示されている水電解装置の説明図である。It is explanatory drawing of the water electrolysis apparatus currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る水電解装置(電気化学装置)10は、高圧水素製造装置を構成しており、複数の単位セル12が鉛直方向(矢印A方向)又は水平方向(矢印B方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが上方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、同様にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが下方に向かって、順次、配設される。   As shown in FIG.1 and FIG.2, the water electrolysis apparatus (electrochemical apparatus) 10 which concerns on the 1st Embodiment of this invention comprises the high voltage | pressure hydrogen production apparatus, and the several unit cell 12 is perpendicular direction ( The laminate 14 is laminated in the direction of arrow A) or in the horizontal direction (direction of arrow B). At one end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16a, an insulating plate 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed upward. Similarly, a terminal plate 16b, an insulating plate 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the stacked body 14 downward.

水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する複数のタイロッド22を介して円盤形状のエンドプレート20a、20b間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置10は、エンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置10は、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。   The water electrolysis apparatus 10 integrally clamps and holds the disk-shaped end plates 20a and 20b via a plurality of tie rods 22 extending in the direction of arrow A, for example. The water electrolysis apparatus 10 may employ a configuration in which the water electrolysis apparatus 10 is integrally held by a box-like casing (not shown) including the end plates 20a and 20b as end plates. Moreover, although the water electrolysis apparatus 10 has a substantially cylindrical shape as a whole, it can be set in various shapes such as a cubic shape.

図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの側部には、端子部24a、24bが外方に突出して設けられる。端子部24a、24bは、配線26a、26bを介して電源28に電気的に接続される。陽極(アノード)側である端子部24aは、電源28のプラス極に接続される一方、陰極(カソード)側である端子部24bは、前記電源28のマイナス極に接続される。   As shown in FIG. 1, terminal portions 24a and 24b are provided on the side portions of the terminal plates 16a and 16b so as to protrude outward. The terminal portions 24a and 24b are electrically connected to the power source 28 via the wirings 26a and 26b. The terminal portion 24 a on the anode (anode) side is connected to the positive pole of the power source 28, while the terminal portion 24 b on the cathode (cathode) side is connected to the negative pole of the power source 28.

図2及び図3に示すように、単位セル12は、円盤状の電解質膜・電極構造体32と、この電解質膜・電極構造体32を挟持するアノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36とを備える。アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36は、円盤状を有するとともに、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the unit cell 12 includes a disk-shaped electrolyte membrane / electrode structure 32, and an anode side separator 34 and a cathode side separator 36 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 32. . The anode-side separator 34 and the cathode-side separator 36 have a disk shape and are made of, for example, a carbon member or the like, or are used for corrosion prevention on a steel plate, a stainless steel plate, a titanium plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof. The metal plate that has been subjected to the above surface treatment is press-molded or cut and subjected to a corrosion-resistant surface treatment.

電解質膜・電極構造体32は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜38と、前記固体高分子電解質膜38の両面に設けられるアノード側給電体40及びカソード側給電体42とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 32 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, an anode-side power feeder 40 and a cathode provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. Side power supply body 42.

固体高分子電解質膜38の両面には、アノード電極触媒層40a及びカソード電極触媒層42aが形成される。アノード電極触媒層40aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層42aは、例えば、白金触媒を使用する。   An anode electrode catalyst layer 40a and a cathode electrode catalyst layer 42a are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38. The anode electrode catalyst layer 40a uses, for example, a Ru (ruthenium) -based catalyst, while the cathode electrode catalyst layer 42a uses, for example, a platinum catalyst.

アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体(多孔質導電体)により構成される。アノード側給電体40及びカソード側給電体42は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が10%〜50%、より好ましくは、20%〜40%の範囲内に設定される。   The anode-side power supply body 40 and the cathode-side power supply body 42 are made of, for example, a sintered body (porous conductor) of spherical atomized titanium powder. The anode-side power supply body 40 and the cathode-side power supply body 42 are provided with a smooth surface portion that is etched after grinding, and the porosity is set within a range of 10% to 50%, more preferably 20% to 40%. Is done.

単位セル12の外周縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、第1の流体である水(純水)を供給するための水供給連通孔46と、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔48と、反応により生成された第2の流体である水素(高圧水素)を流すための水素連通孔(高圧流体連通孔)50とが設けられる。   A water supply communication hole 46 for supplying water (pure water) which is a first fluid and communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, is generated at the outer peripheral edge of the unit cell 12 by a reaction. A discharge communication hole 48 for discharging oxygen and used water, and a hydrogen communication hole (high pressure fluid communication hole) 50 for flowing hydrogen (high pressure hydrogen) as the second fluid generated by the reaction. Provided.

図3及び図4に示すように、アノード側セパレータ34の外周縁部には、水供給連通孔46に連通する供給通路52aと、排出連通孔48に連通する排出通路52bとが設けられる。アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、供給通路52a及び排出通路52bに連通する第1流路54が設けられる。この第1流路54は、アノード側給電体40の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される(図2及び図3参照)。   As shown in FIGS. 3 and 4, a supply passage 52 a that communicates with the water supply communication hole 46 and a discharge passage 52 b that communicates with the discharge communication hole 48 are provided at the outer peripheral edge of the anode separator 34. A first flow path 54 communicating with the supply passage 52a and the discharge passage 52b is provided on the surface 34a of the anode separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32. The first flow path 54 is provided in a range corresponding to the surface area of the anode-side power feeding body 40, and includes a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like (see FIGS. 2 and 3).

カソード側セパレータ36の外周縁部には、水素連通孔50に連通する排出通路56が設けられる。カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、排出通路56に連通する第2流路58が形成される。この第2流路58は、カソード側給電体42の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、複数の流路溝や複数のエンボス等で構成される(図2及び図3参照)。   A discharge passage 56 communicating with the hydrogen communication hole 50 is provided at the outer peripheral edge of the cathode separator 36. A second flow path 58 communicating with the discharge passage 56 is formed on the surface 36 a of the cathode separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32. The second flow path 58 is provided in a range corresponding to the surface area of the cathode power supply body 42 and is configured by a plurality of flow path grooves, a plurality of embosses, and the like (see FIGS. 2 and 3).

アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36の外周端部を周回して、シール部材60a、60bが一体化される。このシール部材60a、60bには、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   The seal members 60a and 60b are integrated with each other around the outer peripheral ends of the anode side separator 34 and the cathode side separator 36. The seal members 60a and 60b include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, acrylic rubber, or other seal materials, cushion materials, or packing materials. Used.

図4に示すように、カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、第2流路58の外側を周回して第1シール溝62aが形成される。   As shown in FIG. 4, a first seal groove 62 a is formed on the surface 36 a of the cathode separator 36 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32 so as to go around the outside of the second flow path 58.

図3及び図4に示すように、面36aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50の外側を周回して第2シール溝62b、第3シール溝62c及び第4シール溝62dが形成される。第1シール溝62a〜第4シール溝62dには、例えば、Oリングである第1シール部材64a〜第4シール部材64dが配設される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the surface 36 a has a second seal groove 62 b, a third seal groove 62 c, and a fourth ring around the outside of the water supply communication hole 46, the discharge communication hole 48, and the hydrogen communication hole 50. A seal groove 62d is formed. In the first seal groove 62a to the fourth seal groove 62d, for example, a first seal member 64a to a fourth seal member 64d that are O-rings are disposed.

第2流路58と第1シール溝62aとは、複数、例えば4つの通路(開口部)66を介して連通する。通路66は、第1シール溝62aに対し、第1シール部材64aの配置位置よりも第2流路58側に近接する壁部(内側壁部)に開口する。通路66は、カソード側セパレータ36と固体高分子電解質膜38との境界部位を迂回して第2流路58と第1シール溝62aとを直接連通する。   The second flow path 58 and the first seal groove 62 a communicate with each other via a plurality of, for example, four passages (openings) 66. The passage 66 opens to a wall portion (inner wall portion) closer to the second flow path 58 side than the arrangement position of the first seal member 64a with respect to the first seal groove 62a. The passage 66 bypasses the boundary portion between the cathode side separator 36 and the solid polymer electrolyte membrane 38 and directly communicates the second flow path 58 and the first seal groove 62a.

高圧水素連通孔である水素連通孔50と第4シール溝62dとは、1以上の通路(開口部)68を介して連通する。この通路68は、第4シール溝62dの内側壁部に開放される。通路68は、カソード側セパレータ36と固体高分子電解質膜38との境界部位を迂回して水素連通孔50と第4シール溝62dとを直接連通する。   The hydrogen communication hole 50, which is a high-pressure hydrogen communication hole, and the fourth seal groove 62 d communicate with each other via one or more passages (openings) 68. The passage 68 is opened to the inner wall portion of the fourth seal groove 62d. The passage 68 bypasses the boundary portion between the cathode side separator 36 and the solid polymer electrolyte membrane 38 and directly connects the hydrogen communication hole 50 and the fourth seal groove 62d.

アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、第1流路54の外側を周回し、且つ第1シール溝62aに対向して第1シール溝70aが形成される。面34aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50の外側を周回し、且つ第2シール溝62b、第3シール溝62c及び第4シール溝62dに対向して第2シール溝70b、第3シール溝70c及び第4シール溝70dが形成される。   On the surface 34a of the anode separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 32, a first seal groove 70a is formed around the outside of the first flow path 54 and facing the first seal groove 62a. The surface 34a circulates outside the water supply communication hole 46, the discharge communication hole 48, and the hydrogen communication hole 50, and is opposite to the second seal groove 62b, the third seal groove 62c, and the fourth seal groove 62d. A seal groove 70b, a third seal groove 70c, and a fourth seal groove 70d are formed.

第1シール溝70a〜第4シール溝70dには、例えば、Oリングである第1シール部材72a〜第4シール部材72dが収容される。第4シール溝70dと水素連通孔50とは、1以上の通路(開口部)74を介して連通する。この通路74は、第4シール溝70dの内側壁部に開放される。通路74は、アノード側セパレータ34と固体高分子電解質膜38との境界部位を迂回して水素連通孔50と第4シール溝70dとを直接連通する。   The first seal groove 70a to the fourth seal groove 70d accommodate the first seal member 72a to the fourth seal member 72d that are, for example, O-rings. The fourth seal groove 70 d and the hydrogen communication hole 50 communicate with each other via one or more passages (openings) 74. The passage 74 is opened to the inner wall portion of the fourth seal groove 70d. The passage 74 bypasses the boundary portion between the anode side separator 34 and the solid polymer electrolyte membrane 38 and directly connects the hydrogen communication hole 50 and the fourth seal groove 70d.

図1及び図2に示すように、エンドプレート20aには、水供給連通孔46、排出連通孔48及び水素連通孔50に連通する配管76a、76b及び76cが接続される。配管76cには、図示しないが、背圧弁(又は電磁弁)が設けられており、水素連通孔50に生成される水素の圧力を高圧に維持することができる。   As shown in FIGS. 1 and 2, pipes 76a, 76b and 76c communicating with the water supply communication hole 46, the discharge communication hole 48 and the hydrogen communication hole 50 are connected to the end plate 20a. Although not shown, the pipe 76c is provided with a back pressure valve (or electromagnetic valve), and the pressure of hydrogen generated in the hydrogen communication hole 50 can be maintained at a high pressure.

このように構成される水電解装置10の動作について、以下に説明する。   The operation of the water electrolysis apparatus 10 configured as described above will be described below.

図1に示すように、配管76aから水電解装置10の水供給連通孔46に水が供給されるとともに、ターミナルプレート16a、16bの端子部24a、24bに電気的に接続されている電源28を介して電圧が付与される。このため、図3に示すように、各単位セル12では、水供給連通孔46からアノード側セパレータ34の第1流路54に水が供給され、この水がアノード側給電体40内に沿って移動する。   As shown in FIG. 1, water is supplied from a pipe 76a to the water supply communication hole 46 of the water electrolysis apparatus 10, and a power supply 28 electrically connected to the terminal portions 24a and 24b of the terminal plates 16a and 16b is provided. A voltage is applied via For this reason, as shown in FIG. 3, in each unit cell 12, water is supplied from the water supply communication hole 46 to the first flow path 54 of the anode separator 34, and this water flows along the anode power supply body 40. Moving.

従って、水は、アノード電極触媒層40aで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜38を透過してカソード電極触媒層42a側に移動し、電子と結合して水素が得られる。   Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode electrode catalyst layer 40a, and hydrogen ions, electrons, and oxygen are generated. Hydrogen ions generated by this anodic reaction permeate the solid polymer electrolyte membrane 38 and move to the cathode electrode catalyst layer 42a side, and combine with electrons to obtain hydrogen.

このため、カソード側セパレータ36とカソード側給電体42との間に形成される第2流路58に沿って水素が流動する。この水素は、水供給連通孔46よりも高圧に維持されており、水素連通孔50を流れて水電解装置10の外部に取り出し可能となる。一方、第1流路54には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔48に沿って水電解装置10の外部に排出される。   For this reason, hydrogen flows along the second flow path 58 formed between the cathode side separator 36 and the cathode side power supply body 42. This hydrogen is maintained at a higher pressure than the water supply communication hole 46, and can flow out of the water electrolysis apparatus 10 through the hydrogen communication hole 50. On the other hand, oxygen generated by the reaction and used water flow in the first flow path 54, and these are discharged to the outside of the water electrolysis apparatus 10 along the discharge communication hole 48.

上記のように、水電解装置10では、第2流路58には、高圧水素が生成されており、この第2流路58が高圧水素発生室を構成している。第2流路58は、通路66を介して第1シール溝62aに連通しており、この第1シール溝62aにも高圧水素が充填されている。   As described above, in the water electrolysis apparatus 10, high-pressure hydrogen is generated in the second flow path 58, and the second flow path 58 constitutes a high-pressure hydrogen generation chamber. The second flow path 58 communicates with the first seal groove 62a through the passage 66, and the first seal groove 62a is also filled with high-pressure hydrogen.

さらに、第2流路58に連通する水素連通孔50も同様に、高圧水素が導入されることにより高圧となっている。一方、水素連通孔50に通路68、74を介して連通する第4シール溝62d、70dも、高圧水素により高圧化されている。   Furthermore, the hydrogen communication hole 50 communicating with the second flow path 58 is also at a high pressure by introducing high-pressure hydrogen. On the other hand, the fourth seal grooves 62d and 70d communicating with the hydrogen communication hole 50 through the passages 68 and 74 are also increased in pressure by high-pressure hydrogen.

次いで、水電解装置10の運転が停止される際、常圧側の第1流路54と高圧側の第2流路58との差圧を解消するために、前記第2流路58に脱圧(減圧)処理が施される。   Next, when the operation of the water electrolysis apparatus 10 is stopped, the second flow path 58 is depressurized in order to eliminate the differential pressure between the first pressure path 54 on the normal pressure side and the second flow path 58 on the high pressure side. (Decompression) treatment is performed.

この場合、第1の実施形態では、第1シール溝62aの内面側と第2流路58とが、複数、例えば、4本の通路66を介して直接連通している。このため、第2流路58が脱圧(減圧)される際には、この第2流路58と第1シール溝62aとを連通している通路66を介して、前記第1シール溝62aも良好に脱圧することができる。   In this case, in the first embodiment, the inner surface side of the first seal groove 62 a and the second flow path 58 are in direct communication via a plurality of, for example, four passages 66. For this reason, when the second flow path 58 is depressurized (depressurized), the first seal groove 62a is connected via the passage 66 that connects the second flow path 58 and the first seal groove 62a. Can be decompressed well.

従って、脱圧時に、第2流路58と第1シール溝62aとに差圧が発生することがなく、脱圧途上で圧力差が増大し、第1シール溝62aから第2流路58に固体高分子電解質膜38に沿って高圧水素が急激に移動することを確実に阻止することが可能になる。これにより、各第1シール部材64a、72aが対向する固体高分子電解質膜38に損傷等が惹起されることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。   Accordingly, no differential pressure is generated between the second flow path 58 and the first seal groove 62a at the time of depressurization, and the pressure difference increases during the depressurization, and the first seal groove 62a is transferred to the second flow path 58. It becomes possible to reliably prevent the high-pressure hydrogen from moving rapidly along the solid polymer electrolyte membrane 38. Thereby, the effect that it can prevent reliably that damage etc. are caused to the solid polymer electrolyte membrane 38 which each 1st seal member 64a, 72a opposes is acquired.

一方、水素連通孔50の脱圧時には、この水素連通孔50にそれぞれ通路68、74を介して直接連通する第4シール溝62d、70d内の高圧水素が、前記水素連通孔50に排出される。このため、第4シール溝62d、70d内が高圧に保持されることがなく、前記第4シール溝62d、70dから水素連通孔50に固体高分子電解質膜38に沿って高圧水素が急激に移動することを阻止し易い。従って、固体高分子電解質膜38の損傷を可及的に阻止することが可能になる。   On the other hand, at the time of depressurization of the hydrogen communication hole 50, high-pressure hydrogen in the fourth seal grooves 62d and 70d directly communicating with the hydrogen communication hole 50 via the passages 68 and 74, respectively, is discharged to the hydrogen communication hole 50. . For this reason, the inside of the fourth seal grooves 62d and 70d is not held at a high pressure, and the high-pressure hydrogen rapidly moves along the solid polymer electrolyte membrane 38 from the fourth seal grooves 62d and 70d to the hydrogen communication hole 50. It is easy to prevent you from doing. Accordingly, it is possible to prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane 38 as much as possible.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る水電解装置を構成するカソード側セパレータ80の要部断面説明図である。   FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view of a main part of the cathode separator 80 constituting the water electrolysis apparatus according to the second embodiment of the present invention.

なお、第1の実施形態に係る水電解装置10を構成するカソード側セパレータ36と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the cathode side separator 36 which comprises the water electrolysis apparatus 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

カソード側セパレータ80は、第2流路58の外周部とこの第2流路58の外側を周回する第1シール溝62aとの境界部位に、多孔質リング部材82を介装する。多孔質リング部材82は、内部に多数の孔部82aが設けられており、第2流路58と第1シール溝62aとを連通する。   The cathode-side separator 80 has a porous ring member 82 interposed at a boundary portion between the outer peripheral portion of the second flow path 58 and the first seal groove 62 a that circulates outside the second flow path 58. The porous ring member 82 has a large number of holes 82a therein, and communicates the second flow path 58 and the first seal groove 62a.

このため、第2の実施形態では、第2流路58の減圧時に、第1シール溝62aに存在する高圧水素が多孔質リング部材82の孔部82aを通って前記第2流路58側に良好に移動することができる。これにより、第2流路58と第1シール溝62aとに差圧が発生することがなく、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   For this reason, in the second embodiment, when the second flow path 58 is depressurized, the high-pressure hydrogen present in the first seal groove 62a passes through the hole 82a of the porous ring member 82 toward the second flow path 58. It can move well. As a result, no differential pressure is generated between the second flow path 58 and the first seal groove 62a, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

なお、第2の実施形態では、多孔質リング部材82を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、複数の円弧状の多孔質部材を、所定の角度ずつ離間して第2流路58と第1シール溝62aとの間に設けてもよい。また、多孔質リング部材82は、粉末の焼結体で構成してもよく、あるいは、機械加工等により複数の孔部82aを形成して構成してもよい。   In addition, in 2nd Embodiment, although the porous ring member 82 is provided, it is not limited to this. For example, a plurality of arc-shaped porous members may be provided between the second flow path 58 and the first seal groove 62a at a predetermined angle. Further, the porous ring member 82 may be constituted by a powder sintered body, or may be constituted by forming a plurality of hole portions 82a by machining or the like.

図6は、本発明の第3の実施形態に係る水素昇圧装置(電気化学装置)90の概略断面説明図である。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of a hydrogen booster (electrochemical device) 90 according to the third embodiment of the present invention.

水素昇圧装置90は、固体高分子電解質膜92を有し、前記固体高分子電解質膜92の両面には、ガス拡散電極94と、ガス拡散電極(又はガス発生電極)96とが設けられて高分子電解質膜/電極接合体98が構成される。   The hydrogen pressure increasing device 90 has a solid polymer electrolyte membrane 92, and a gas diffusion electrode 94 and a gas diffusion electrode (or gas generation electrode) 96 are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 92. A molecular electrolyte membrane / electrode assembly 98 is formed.

この高分子電解質膜/電極接合体98は、セパレータ100a、100b間に挟持されるとともに、前記セパレータ100a、100bには、電源102が接続される。セパレータ100aには、低圧な水素と水とが供給される第1流路104が形成される一方、セパレータ100bには、高圧な水素が生成される第2流路106が形成される。   The polymer electrolyte membrane / electrode assembly 98 is sandwiched between separators 100a and 100b, and a power source 102 is connected to the separators 100a and 100b. The separator 100a is formed with a first flow path 104 to which low-pressure hydrogen and water are supplied, while the separator 100b is formed with a second flow path 106 for generating high-pressure hydrogen.

セパレータ100aには、第1流路104の外側を周回してシール溝108が形成され、前記シール溝108にOリングであるシール部材110が配設される。セパレータ100bには、第2流路106の外側を周回してシール溝112が形成され、このシール溝112にOリングであるシール部材114が配設される。   In the separator 100 a, a seal groove 108 is formed around the outside of the first flow path 104, and a seal member 110 that is an O-ring is disposed in the seal groove 108. In the separator 100 b, a seal groove 112 is formed around the outside of the second flow path 106, and a seal member 114 that is an O-ring is disposed in the seal groove 112.

第2流路106とシール溝112とは、複数の通路116を介して連通する。通路116は、セパレータ100bと固体高分子電解質膜92との境界部位を迂回して第2流路106とシール溝112とを直接連通する。   The second flow path 106 and the seal groove 112 communicate with each other through a plurality of passages 116. The passage 116 bypasses the boundary portion between the separator 100b and the solid polymer electrolyte membrane 92, and directly communicates the second flow path 106 and the seal groove 112.

このように構成される水素昇圧装置90は、第1流路104に低圧の湿り水素が供給されると、この水素がガス拡散電極94中を拡散し、プロトンと電子とに解離する。   In the hydrogen booster 90 configured as described above, when low-pressure wet hydrogen is supplied to the first flow path 104, the hydrogen diffuses in the gas diffusion electrode 94 and dissociates into protons and electrons.

そして、電源102の印加電圧により電子が外部回路を通る一方、プロトンは、固体高分子電解質膜92中を拡散し、ガス拡散電極96側で電子と結合して水素が生成される。このため、第2流路106には、電源102からの印加電圧により、高圧な水素が生成される。   Then, electrons pass through the external circuit by the voltage applied by the power source 102, while protons diffuse in the solid polymer electrolyte membrane 92 and combine with the electrons on the gas diffusion electrode 96 side to generate hydrogen. For this reason, high-pressure hydrogen is generated in the second channel 106 by the voltage applied from the power source 102.

この場合、第3の実施形態では、高圧水素が生成される第2流路106とシール溝112とが所定数の通路116を介して直接連通している。このため、第2流路106が脱圧される際には、シール溝112も良好に脱圧することができ、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。   In this case, in the third embodiment, the second flow path 106 in which high-pressure hydrogen is generated and the seal groove 112 are in direct communication via a predetermined number of passages 116. For this reason, when the second flow path 106 is depressurized, the seal groove 112 can also be depressurized satisfactorily, and the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.

10…水電解装置 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
24a、24b…端子部 28…電源
32…電解質膜・電極構造体 34…アノード側セパレータ
36、80…カソード側セパレータ 38、92…固体高分子電解質膜
40…アノード側給電体 42…カソード側給電体
46…水供給連通孔 48…排出連通孔
50…水素連通孔 54、58、104、106…流路
62a〜62d、70a〜70d…シール溝
64a〜64d、72a〜72d…シール部材
66、68、74、116…通路 82…多孔質リング部材
82a…孔部 90…水素昇圧装置
94、96…ガス拡散電極 100a、100b…セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Water electrolysis apparatus 12 ... Unit cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b ... Insulation plate 20a, 20b ... End plate 24a, 24b ... Terminal part 28 ... Power supply 32 ... Electrolyte membrane and electrode structure 34 ... Anode-side separators 36, 80 ... cathode-side separators 38, 92 ... solid polymer electrolyte membrane 40 ... anode-side power feeder 42 ... cathode-side power feeder 46 ... water supply communication hole 48 ... discharge communication hole 50 ... hydrogen communication hole 54, 58 104, 106 ... channels 62a to 62d, 70a to 70d ... seal grooves 64a to 64d, 72a to 72d ... seal members 66, 68, 74, 116 ... passage 82 ... porous ring member 82a ... hole 90 ... hydrogen pressure increase Apparatus 94, 96 ... Gas diffusion electrode 100a, 100b ... Separator

Claims (7)

電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第1の流体を供給する第1流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第1の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第2の流体を得る第2流路が形成される電気化学装置であって、
前記他方のセパレータは、前記第2流路の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、
前記第2流路と前記シール溝とを連通する開口部と、
を設けることを特徴とする電気化学装置。
A power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a first flow path for supplying a first fluid is formed between one power feeding body and one separator. The electrochemical device is provided with a second flow path between the other power supply and the other separator, in which the first fluid is electrolyzed to obtain a second fluid having a pressure higher than normal pressure. And
The other separator is a seal groove into which a seal member is inserted around the outside of the second flow path;
An opening communicating the second flow path and the seal groove;
An electrochemical device characterized by comprising:
請求項1記載の電気化学装置において、前記シール部材は、前記セパレータ間に介装される前記電解質膜に対向して配置されることを特徴とする電気化学装置。   The electrochemical device according to claim 1, wherein the seal member is disposed to face the electrolyte membrane interposed between the separators. 請求項1又は2記載の電気化学装置において、前記第1流路は、常圧であり、
前記第1流路と前記第2流路とに差圧が設けられることを特徴とする電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 1 or 2, wherein the first flow path is at a normal pressure,
An electrochemical device, wherein a differential pressure is provided between the first channel and the second channel.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学装置において、前記第1の流体は、水であり、
前記第2の流体は、水素であることを特徴とする電気化学装置。
The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first fluid is water,
The electrochemical device according to claim 2, wherein the second fluid is hydrogen.
電解質膜の両側に給電体が設けられ、前記給電体にセパレータが積層されるとともに、一方の給電体と一方のセパレータとの間には、第1の流体を供給する第1流路が形成され、他方の給電体と他方のセパレータとの間には、前記第1の流体が電気分解されて常圧よりも高圧な第2の流体を得る第2流路が形成される電気化学装置であって、
前記第2流路に連通し前記セパレータの積層方向に延在する高圧流体連通孔を備え、
前記セパレータは、前記高圧流体連通孔の外側を周回してシール部材が挿入されるシール溝と、
前記高圧流体連通孔と前記シール溝とを連通する開口部と、
を設けることを特徴とする電気化学装置。
A power feeding body is provided on both sides of the electrolyte membrane, a separator is stacked on the power feeding body, and a first flow path for supplying a first fluid is formed between one power feeding body and one separator. The electrochemical device is provided with a second flow path between the other power supply and the other separator, in which the first fluid is electrolyzed to obtain a second fluid having a pressure higher than normal pressure. And
A high-pressure fluid communication hole that communicates with the second flow path and extends in the stacking direction of the separator;
The separator is a seal groove into which a seal member is inserted around the outside of the high-pressure fluid communication hole;
An opening communicating the high-pressure fluid communication hole and the seal groove;
An electrochemical device characterized by comprising:
請求項5記載の電気化学装置において、前記シール部材は、前記セパレータ間に介装される前記電解質膜に対向して配置されることを特徴とする電気化学装置。   6. The electrochemical device according to claim 5, wherein the seal member is disposed to face the electrolyte membrane interposed between the separators. 請求項5又は6記載の電気化学装置において、前記第1の流体は、水であり、
前記第2の流体は、水素であるとともに、
前記高圧流体連通孔は、高圧水素連通孔であることを特徴とする電気化学装置。
The electrochemical device according to claim 5 or 6, wherein the first fluid is water,
The second fluid is hydrogen;
The electrochemical device, wherein the high-pressure fluid communication hole is a high-pressure hydrogen communication hole.
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